Mô phỏng độ bền của vỏ tàu ngầm khi lặn hoàn toàn dưới nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG






NGUYỄN THÀNH TÀI



MÔ PHỎNG ĐỘ BỀN CỦA VỎ TÀU NGẦM
KHI ĐÃ LẶN HOÀN TOÀN DƯỚI NƯỚC





ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH KỸ THUẬT TÀU THỦY


CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
TS. HUỲNH VĂN VŨ

Nha Trang, 7/2013
i

MỤC LỤC

Trang
MỤC LỤC i
DANH MỤC HÌNH iii
DANH MUC BẢNG v
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ 2
1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 2
1.2. Phạm vị nghiên cứu đề tài 4
CHƯƠNG 2 : MÔ PHỎNG ĐỘ BỀN CỦA VỎ TÀU NGẦM KHI ĐÃ LẶN HOÀN
TOÀN DƯỚI NƯỚC 6
2.1. Mô phỏng độ bền bằng phương pháp phần tử hữu hạn 6
2.2. Tổng quan về mô hình tính của các nghiên cứu trước đây 6
2.3. Lựa chọn mô hình tính 20
2.3.1. Giới thiệu về mô hình hình học của mẫu 21
2.3.1.1. Thông số kích thước chính 21
2.3.1.2. Vật liệu 22
2.3.2. Lực tác dụng 22
2.3.3. Điều kiện biên 22
2.3.4. Mô hình phần tử 29
2.3.5. Biến dạng ban đầu 30
2.4. Phân tích bằng Abaqus CAE 32
2.4.1. Dữ liệu đầu vào để phân tích 32
2.4.2. Các bước trước khi phân tích 33

2.5. Đánh giá độ tin cậy của phương pháp mô phỏng 33
2.5.1. Xác định kích thước phần tử hợp lý 33
2.5.2. Kết quả phân tích 35
ii

2.5.3. Thực nghiệm 37
2.5.4. Đánh giá chung khi lựa chọn mô hình tính 39
CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN TÀU THỰC 40
3.1. Trường hợp thêm 4 nẹp dọc vào thân ống tàu ngầm (Mẫu A) 40
3.1.1. Kết quả mô hình hóa 40
3.1.2. Kết quả phân tích 40
3.2. Trường hợp thêm 4 nẹp dọc và 1 vách vào thân ống tàu ngầm (Mẫu B) 41
3.2.1. Kết quả mô hình hóa 41
3.2.2. Kết quả phân tích 42
3.3. Trường hợp thêm 4 nẹp dọc và 2 vách vào thân ống tàu ngầm (Mẫu C) 43
3.3.1. Kết quả mô hình hóa 43
3.3.2. Kết quả phân tích 44
CHƯƠNG 4 : THẢO LUẬN KẾT QUẢ 47
4.1. Kết luận 47
4.1.1. Mô hình tính 47
4.1.2. Điều kiện biện 47
4.1.3. Kích thước phần tử 47
4.1.4. Kết quả phân tích 47
4.2. Đề xuất 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO 49
PHỤ LỤC 51
1.Các thông số biến dạng ban đầu của mẫu phân tích ở trường hợp 1500 phần tử 51
2.Các thông số biến dạng ban đầu của mẫu phân tích ở trường hợp 4200 phần tử 51
3.Các thông số biến dạng ban đầu của mẫu phân tích ở trường hợp 8100 phần tử 51
4.Các thông số biến dạng ban đầu của mẫu phân tích ở trường hợp 13200 phần tử 52

5.Các thông số biến dạng ban đầu của mẫu phân tích ở trường hợp 22400 phần tử 53
6.Các thông số biến dạng ban đầu của mẫu phân tích ở trường hợp 32824 phần tử 54


iii

DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.1: Kết cấu vỏ áp lực của tàu ngầm [1]. 2
Hình 1.2: Sự mất ổn định của mô hình trong thực nghiệm của J.R. MacKay[5] 3
Hình 1.3: Đồ thị quan hệ giữa áp lực và chuyển vị khi tàu chịu áp lực nước [1]. 3
Hình 2.1: Kích thước mẫu thực nghiệm BR-4B (Đơn vị inches)[2]. 7
Hình2.2: Mẫu BR-4B bị phá hủy [2]. 7
Hình 2.3: Kích thước của mẫu RS1 và RS2 [7]. 8
Hình 2.4: Mô hình phần tử hữu hạn[7] 9
Hình 2.5: Mất ổn định của mẫu thực nghiệm RS-1 và RS-2 [7]. 9
Hình 2.6: Kết cấu cơ bản của vỏ áp lực (Michael W. Temme ) [9]. 10
Hình2.7: Kích thước của mẫu tính [4]. 11
Hình2.8: Kích thước chính của mẫu thực nghiệm [3]. 12
Hình2.9: Mẫu L300-No3 có gắn các cảm biến đo biến dạng ngang và dọc [3]. 13
Hình 2.10: Bể thử áp lực phá hủy[3]. 14
Hình2.11: Mẫu L300-No3 sau khi thử áp lực phá hủy[3]. 14
Hình2.12: Kích thước của mẫu thực nghiệm (Model 1,2,3) [6]. 15
Hình2.13: Két thử áp lực mẫu và các thiết bị khác [6]. 15
Hình2.14: Model 1,2 và 3 bị phá hủy sau khi thí nghiệm [6]. 16
Hình 2.15: Mặt cắt dọc tàu phân tích [8]. 17
Hình 2.16: Vỏ áp lực tàu ngầm phân tích[8] 17
Hình 2.17: Mất ổn định chung [8] 18
Hình 2.18: Kích thước mẫu phân tích [11]. 18
Hình 2.19: Mẫu thữ nghiệm của MacKay [11]. 18

Hình 2.20: Thiết bị thử nghiệm áp lực với biến đổi lực dọc trục [10]. 19
Hình 2.21: Đồ thị thực nghiệm 21
Hình 2.22: Kích thước mô hình hình học. 21
Hình 2.23: Lực tác dụng lên mô hình tính. 22
Hình 2.24: Gía trị phản lực thay đổi theo chuyển vị tại nút phần tử . 24
iv

Hình 2.25: Kích thước và ứng suất gây ra khi áp lực nước tác dụng của thân ống
tàu ngầm. 24
Hình 2.26: Gía trị phản lực thay đổi theo chuyển vị tại nút phần tử . 25
Hình 2.27: Gía trị phản lực thay đổi theo chuyển vị tại nút phần tử . 26
Hình 2.28: Gía trị phản lực thay đổi theo chuyển vị tại nút phần tử . 27
Hình 2.29: Gía trị phản lực thay đổi theo chuyển vị tại nút phần tử . 27
Hình 2.30: Gía trị phản lực thay đổi theo chuyển vị tại nút phần tử . 28
Hình2.31: Mô hình tính toán trong MSC Patran. 30
Hình 2.32: Cơ sở tính toán chuyển vị ban đầu. 31
Hình 2.33: Biến dạng ban đầu kiểu hình sin của mô hình 31
Hình 2.34: Điểm RP đặt điều kiện biên 32
Hình 2.35: Đồ thị giá trị phản lực thay đổi theo số lượng phần tử. 34
Hình 2.36 : Ứng suất Von-Mises của mẫu. 35
Hình 2.37: Biến dạng mẫu thực nghiệm L510-No5 [10]. 35
Hình 2.38: Đồ thị giá trị phản lực thay đổi theo chuyển vị nút tại mẫu. 36
Hình 2.39: Kích thước mẫu thực nghiệm [11]. 37
Hình 2.40: Thiết bị thử nghiệm áp lực [11] 37
Hình 2.41: Mẫu thực nghiệm bị mất ổn định [10]. 38
Hình 3.1: Kết quả mô hình hóa kết cấu thân ống có thêm 4 nẹp dọc. 40
Hình 3.2: Ứng suất Von-Mises 40
Hình 3.3: Đồ thị thể hiện giá trị phản lực thay đổi theo chuyển vị nút . 41
Hình 3.4: Kết quả mô hình hóa kết cấu thân ống có thêm 4 nẹp dọc và 1 vách. 42
Hình 3.5: Ứng suất Von-Mises 42

Hình 3.6: Đồ thị thể hiện giá trị phản lực thay đổi theo chuyển vị nút 43
Hình 3.7: Kết quả mô hình hóa1/2 kết cấu thân ống có thêm 4 nẹp dọc và 2vách. 44
Hình 3.8: Ứng suất Von-Mises 44
Hình 3.9: Đồ thị thể hiện giá trị phản lực thay đổi theo chuyển vị nút 45
Hình 3.10: Gía trị phản lực dọc trục RF3 lớn nhất thay đổi theo mẫu Ao,A,B,C. 46
Hình 4.1: Đồ thị kết quả phản lực thay đổi theo chuyển vị. 48
v

DANH MUC BẢNG
Trang
Bảng 2.1: So sánh kết quả giữa thực nghiệm và tính toán lý thuyết 8
Bảng 2.2: Kết quả áp lực phá hủy theo FEA và lý thuyết tính toán 9
Bảng 2.3: Kết quả so sánh các phương pháp 11
Bảng 2.4: Áp lực phá hủy của ba phương pháp tính 12
Bảng 2.5: Thông số kích thước của Model 1,2 và 3 15
Bảng 2.6: Áp lực gây mất ổn định trên thực nghiệm và trên Ansys, Von mises 16
Bảng 2.7: Điều kiện phân tích. 17
Bảng 2.8: Các trường hợp điều kiện biên. 23
Bảng 2.9: So sánh kết quả giữa các trường hợp điều kiện biên khả thi nhất với kết
quả thực nghiệm. 28
Bảng 2.10: Điều kiện biên được lựa chọn. 29
Bảng 2.11: Giá trị phản lực RF3 (N) lớn nhất của các mẫu. 33
Bảng 3.1: Gía trị phản lực dọc trục lớn nhất ở các mẫu. 45
Bảng P1: Chuyển vị ban đầu của mẫu 1 51
Bảng P2: Chuyển vị ban đầu của mẫu 2 51
Bảng P3: Chuyển vị ban đầu của mẫu 3 52
Bảng P4: Chuyển vị ban đầu của mẫu 4 52
Bảng P5: Chuyển vị ban đầu của mẫu 5 53
Bảng P6: Chuyển vị ban đầu của mẫu 6 54

1

LỜI NÓI ĐẦU
Với mục tiêu xây dựng và hoàn thiện chất lượng cũng như số lượng đội ngũ tàu biển
tại Việt Nam nhằm phục vụ tốt công tác khai thác và bảo vệ vùng biển, nhất là trong tình
hình kinh tế và chính trị hiện nay. Để thực hiện mục tiêu được giao này, cả đội ngũ người
lao động phải nổ lực thực hiện nhất là đội ngũ lao động trí óc trong đó đáng chú ý hơn cả
là những kỹ sư đóng tàu Việt Nam. Sản phẩm của họ phải là những con tàu có tính năng
tốt nhất và hiệu suất khai thác cao nhất mà đặc biệt là độ bền của mỗi con tàu phải đảm
bảo chịu được điều kiện bất thường của thời tiết cũng như khả năng phòng thân .
Một con tàu được sản xuất ra, đó là sản phẩm trí óc hoàn chỉnh và giá trị kinh tế lớn,
do đó vấn đề độ bền và tính năng của tàu là yếu tố then chốt quyết định đến hiệu quả sử
dụng của tàu. Việc dự đoán và xác định khả năng mất ổn định của tàu ở giá trị nào đó gọi
là giá trị tới hạn, đó là một trong những công tác quan trọng khi thiết kế con tàu. Mục
đích đề tài nghiên cứu cũng nằm trong công tác quan trọng này. Được sự phân công của
nhà trường trong học kỳ cuối niên khóa 2009-2013 em được thực hiện đề tài tốt nghiệp
“Mô phỏng độ bền của vỏ tàu ngầm khi đã lặn hoàn toàn dưới nước “ . Được sự hướng
dẫn của thầy Huỳnh Văn Vũ nên nội dung đã được thực hiện như sau :
 Đặt vấn đề
 Mô phỏng độ bền của phần thân ống của vỏ tàu ngầm
 Thảo luận kết quả
Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Huỳnh
Văn Vũ em đã hoàn thành được đề tài đúng thời gian. Xin chân thành cảm ơn thầy và quý
thầy trong bộ môn Kỹ Thuật Giao Thông đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành đề tài
tốt nghiệp này.
Nha Trang, ngày 10 tháng 6 năm 2012
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thành Tài

2

CHƯƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Khi tàu ngầm lặn hoàn toàn dưới nước, bản thân tàu ngầm sẽ chịu áp lực lớn từ
nước tác dụng lên toàn bộ bề mặt của tàu. Nhằm đảm bảo độ bền khi tàu hoạt động yêu
cầu kết cấu vỏ phải chịu được áp lực nước lớn nhất mà vẫn không bị hư hỏng với điều
kiện vẫn giữ áp suất yêu cầu bên trong thân tàu đồng thời tính chống thấm tốt.
Kết cấu vỏ tàu chịu áp lực là kết cấu có dạng hình học tối ưu nhất ở dạng hình trụ
tròn có vách ngăn giữa các khoang. Do đó kết cấu vỏ áp lực là sự kết hợp giữa phần thân
ống và phần nón cụt có liên kết vững với các nẹp vòng cứng gia cường bên trong, bên
cạnh đó còn liên kết với các vách và phần hình cầu ở đầu và đuôi tàu.

Hình 1.1: Kết cấu vỏ áp lực của tàu ngầm [1].

Mặc dù với kết cấu vỏ áp lực đảm bảo áp lực thiết kế lớn nhất khi tàu lặn hoàn toàn
dưới nước nhưng thực tế khi tàu hoạt động ở độ sâu thay đổi và điều kiện bất thường, bị
tác động các yếu tố như tốc độ dòng chảy, áp lực nước biến đổi phức tạp và thêm vào các
điều kiện thời tiết khác như sóng thần, động đất….tàu sẽ chịu áp lực vượt quá áp lực thiết
kế và áp lực lúc này sẽ tăng dần đến khi kết cấu tàu bị kéo hoặc nén quá mức dẫn đến kết
cấu bị mất ổn định, dẫn đến nguyên nhân phá huỷ kết cấu thân tàu.
3


Hình 1.2: Sự mất ổn định của mô hình trong thực nghiệm của J.R. MacKay[5].

Trước điều kiện hoạt động bất thường nêu trên đặt ra cho chúng ta bài toán phải
dự đoán được với giá trị độ bến tới hạn của tàu đang xét đạt đến bao nhiêu thì tàu sẽ bị
phá hủy . Điều kiện ban đầu khi phân tích kết cấu vỏ thân ống tàu ngầm ở đây là vỏ áp

lực có két đến biến dạng ban đầu theo kiểu sóng hình sin dọc tàu, lưu ý không có biến
dạng theo tiết diện của thân ống.


Hình 1.3: Đồ thị quan hệ giữa áp lực và chuyển vị khi tàu chịu áp lực nước [1].

4

Đồ thị trên đưa ra mối quan hệ giữa áp lực nước tác dụng và chuyển vị tại một vị trí
xác định của phần thân ống tàu ngầm, đường OA trên đồ thị thể hiện mối quan hệ tuyến
tính giữa hai đại lượng nêu trên nhưng khi vượt qua điểm A thì bắt đầu quan hệ phi
tuyến, thể hiện kết cấu bắt đầu giai đoạn mất ổn định. Điểm A được gọi là điểm phân
nhánh vì từ điểm này sẽ hình thành ba nhánh có mối quan hệ phi tuyến khác nhau, áp suất
tại A được gọi là áp suất gây mất ổn định. Trong thực tế, biến dạng đối xứng trục từ A
đến B là không xảy ra bởi vì khi áp lực càng cao thì bất kỳ sự xáo trộn nhỏ nào đó cũng
tạo nên biến dạng không đối xứng càng lớn.
Khi tàu chịu tác dụng của áp lực phân bố bên ngoài sẽ trải qua quá trình biến dạng
không đối xứng, chuyển vị bắt đầu tỷ lệ tuyến tính với áp lực tác dụng nhưng ngày càng
phi tuyến khi áp lực tăng lên. Cuối cùng áp lực bên ngoài sẽ tiếp cận đến một giá trị giới
hạn (điểm A) mà ở đó một sự gia tăng áp lực nhỏ nhất cũng làm chuyển vị đạt giá trị
lớn.Từ đó ta tìm ra được giá trị áp lực lớn nhất gây nên hiện tượng phá hủy.
Nguyên nhân gây ra phi tuyến tính có thể là do bản chất vật liệu hay hình dạng hình
học của kết cấu. Vật liệu phi tuyến có thể là do phi tuyến trong mối quan hệ ứng suất và
biến dạng và phi tuyến hình học có thể là do quan hệ động lực học phi tuyến tức là phi
tuyến trong mối quan hệ giữa ứng suất - chuyển vị khi áp lực tác dụng lớn gây nên
chuyển vị lớn và biến dạng lớn.
Để đánh giá đúng độ bền tới hạn của tàu đang xét phải xây dựng được mối quan hệ
như đồ thị trên từ nhiều kết quả thống kê số liệu thông qua thực nghiệm và tính toán
.Việc xây dựng mối tương quan trên có thể áp dụng nhiều phương pháp tính toán khác
nhau nhưng khá phổ biến là việc sử dụng các phần mềm tính toán theo phương pháp phần

tử hữu hạn, điển hình là phần mềm Abaqus… Do đó, việc sử dụng phần mềm Abaqus để
phân tích, tính toán tìm ra được giá trị độ bền tới hạn là mục đích chính của đề tài “Mô
phỏng độ bền phần thân ống của vỏ tàu ngầm khi lặn hoàn toàn dưới nước ”.
1.2. Phạm vi nghiên cứu đề tài
Đã có nhiều nghiên cứu được công bố về việc xác định độ bền tới hạn và mô
phỏng biến dạng khi phá hủy của tàu ngầm lặn hoàn toàn dưới nước bằng phương pháp
phần tử hữu hạn trong và ngoài nước. Trong đó việc áp dụng phần mềm Abaqus CAE để
5

phân tích và tính toán được áp dụng khá nhiều. Đối với đề tài này, ngoài việc áp dụng
phần mềm Abaqus CAE còn sử dụng phần mềm Patran để xây dựng mô hình. Bên cạnh
đó còn thu thập kết quả tính toán được từ phần mềm để xây dựng đồ thị tương qua giữa
phản lực ở gối và chuyển vị tại nút phần tử, tương qua giữa phản lực ở gối và số phần tử
trong từng mô hình tính trong bài toán phân tích tĩnh học.

6

CHƯƠNG 2 : MÔ PHỎNG ĐỘ BỀN CỦA VỎ TÀU NGẦM KHI ĐÃ LẶN
HOÀN TOÀN DƯỚI NƯỚC

2.1. Mô phỏng độ bền bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Có nhiều phương pháp xác định độ bền tới hạn của một con tàu hoặc kết cấu khác
nhưng ba phương pháp cơ bản nhất được sử dụng nhiều là phương pháp điều chỉnh không
co giãn Johnson-Ostenfeld, phương pháp có biến dạng ban đầu và phương pháp tiếp cận
phần tử hữu hạn (FE) [4].
Từ khi kết cấu vỏ áp lực tàu ngầm bao gồm nẹp tăng cường cứng được áp dụng thì
việc phân tích độ bền sử dụng phương pháp cổ điển rất phức tạp vì có liên quan đến
phương trình vi phân bậc cao. Điều này dẫn đến việc sử dụng các phương pháp số để
phân tích cấu trúc phức tạp là hợp lý.
Cách tiếp cận phần tử hữu hạn là thích hợp nhất cho việc nghiên cứu tuyến tính tĩnh,
phi tuyến tính tĩnh và trạng thái biến dạng dọc của vỏ áp lực hình trụ vì nó có thể áp
dụng dễ dàng với những kết cấu có hình học phức tạp và các trường hợp tải, điều kiện
biên khác nhau. Phương pháp tiếp cận FE áp dụng cho các bài toán phân tích về kết cấu
dạng khối và các dạng cấu trúc kỹ thuật được bắt đầu bởi một đối tượng đặc trưng như là
một bộ sưu tập của một số hữu hạn các khối cấu thành hoặc các phần tử, mỗi trong số đó
được xác định bởi một số ít các điểm tham chiếu hoặc các nút. Rời rạc này mang bản chất
đúng với tên gọi của phương pháp [13].

Sự biến dạng của mỗi phần tử xảy ra dưới tác dụng của tải trọng được thể hiện bởi
các hàm thay đổi được thu gọn gọi là hàm dạng, trong đó ẩn số là chuyển vị của các nút.
Vì vậy, một khi nút chuyển vị được tính toán, phân phối biến dạng trong mỗi phần tử do
đó toàn bộ đối tượng có thể dễ dàng thu được biến dạng chung.
2.2. Tổng quan về mô hình tính của các nghiên cứu trước đây
Có rất nhiều công trình nghiên cứu công bố kết quả về phương pháp xác định độ bền
của vỏ tàu ngầm. Trong phạm vi đề tài này, xin liệt kê sơ lược một số công trình tiêu biểu
như sau:
7

Thomas E. Reynolds năm 1962 [2] đã xây dựng mẫu thực nghiệm BR-4B, đây là
mẫu thực nghiệm có biến dạng ban đầu, mẫu sử dụng vật liệu thép, kết cấu vỏ áp lực có
gia cường nẹp vòng cứng. Ông đã bố trí các điện trở và máy ghi âm tự động phân bố đều
ở các sườn để đo độ biến dạng của mẫu khi áp lực tác dụng tăng dần, công việc này được
thực hiện trong két áp lực có sử dụng hệ thống bơm chất lỏng tạo lực nén tác dụng lên
mẫu vật. Thiết bị đo sẽ ghi lại chuyển vị của kết cấu cho đến khi phá hủy.

Hình 2.1: Kích thước mẫu thực nghiệm BR-4B (Đơn vị inches)[2].

Hình2.2: Mẫu BR-4B bị phá hủy [2].
8


Bảng 2.1: So sánh kết quả giữa thực nghiệm và tính toán lý thuyết [2].
Kukbin Kim, Ulnyeon Kim and Jinsoo Park năm 2003 [7] đã xây dựng và tính toán
độ bền tới hạn của hai mô hình phần tữ hữu hạn SR1 và SR2 có kết cấu vỏ áp lực gia
cường các nẹp vòng cứng và có biến dạng ban đầu, mô hình được xây dựng và tính toán
trên chương trình Nastran. Lưới phần tử hữu hạn kích thước là khoảng hai lần với độ dày
vỏ cho mỗi mô hình, bốn nút tạo một phần tử vuông ở vỏ (S4R) với sáu bậc tự do cho
mỗi nút. Kết quả tính toán trên Nastran sẽ được kiểm nghiệm bằng kết quả thực nghiệm

và kết quả từ các phương trình tính.


Hình 2.3: Kích thước của mẫu RS1 và RS2 [7].
9


Hình 2.4: Mô hình phần tử hữu hạn[7]

Hình 2.5: Mất ổn định của mẫu thực nghiệm RS-1 và RS-2 [7].
Kết quả so sánh với lý thuyết tính toán :

Bảng 2.2: Kết quả áp lực phá hủy theo FEA và lý thuyết tính toán [7].
10

Michael W. Temme và cộng sự năm 2003 [9] đi so sánh các phương pháp phân tích
với phương pháp tiếp cận bằng số để xác định tình trạng phá hủy của vỏ áp lực có nẹp
tăng cường hình trụ. Mô hình vỏ áp lực sẽ được phân tích dựa vào phương pháp phần tử
hữu hạn mà cụ thể là sử dụng phần mềm MAESTRO. Kết quả thu được về sự phá hủy vỏ
áp lực sẽ được so sánh với kết quả thực nghiệm và hai quy tắc thiết kế của Viện Dầu khí
Mỹ [14] và Det Norske Veritas (DNV) [15].
Hình 2.6 thể hiện kết cấu và kích thước cơ bản của vỏ áp lực có nẹp gia cường. Vật
liệu được sử dụng là thép cường độ cao với giới hạn chảy là 560 N/mm
2
. Các điều kiện
biên bao gồm một đầu được cố định hoàn toàn và đầu kia cố định trừ chuyển vị dọc trục.
Thí nghiệm kiểm tra độ chính xác của các phương pháp phân tích khi dự đoán mất ổn
định đàn hồi cuả vỏ (mất ổn định không đối xứng ). Áp lực khi phá huỷ xác định bằng
thực nghiệm là 4.431 N/mm
2

.


Hình 2.6: Kết cấu cơ bản của vỏ áp lực (Michael W. Temme ) [9].





11

Kết quả so sánh các phương pháp được thể hiện ở bảng sau:
( L :Mất ổn định không đối xứng dọc trục)

Áp lực phá huỷ
(Psi)
Cơ chế phá huỷ
Sai l
ệch với

thực nghiệm
(%)
Kết quả thực nghiệm 633 L ….
API (Bull 2U) 447 L 29,4
DNV (RP-C202) 164 L 74,1
MAESTRO 567 L 10,4

Bảng 2.3: Kết quả so sánh các phương pháp[9].
P. Radha, K. Rajagopalan năm 2006 [4] đã so sánh áp lực gây mất ổn định trên kết
cấu vỏ áp lực hình trụ tròn có gia cường nẹp vòng cứng ở bên trong theo ba phương pháp

tính toán độ bền cơ bản (phương pháp điều chỉnh không co giãn Johnson-Ostenfeld,
phương pháp có biến dạng ban đầu và phương pháp tiếp cận phần tử hữu hạn (FE)).
Phương pháp điều chỉnh không co giãn Johnson-Ostenfeld tính toán dựa vào phương
trình Bleich– Ostenfeld, phương pháp không hoàn hảo tính toán dựa vào phương trình
Kendrick và phần mềm Abaqus là công cụ tính toán của phương pháp tiếp cận phần tử
hữu hạn .

Hình2.7: Kích thước của mẫu tính [4].


12

STT Phương Pháp
Áp lực phá huỷ chung
(Mpa)
1
Điều chỉnh
không co giãn
Johnson-Ostenfeld
3,7921
2 Có biến dạng ban đầu 3,5348
3 Tiếp cận phần tử hữu hạn 3,87

Bảng 2.4: Áp lực phá hủy của ba phương pháp tính[4].

Bằng cách áp dụng sự điều chỉnh Johnson-Ostenfeld cho biến dạng dẻo, không co
giãn thu được áp lực sụp đổ gây mất ổn định rất gần với áp lực sụp đổ gây mất ổn định từ
phương pháp phân tích phần tử hữu hạn và độ lệch phần trăm chỉ là 2,01%. Kết quả từ
phương pháp tiếp cận có biến dạng ban đầu cũng rất gần với kết quả của phương pháp
điều chỉnh Johnson-Ostenfeld và độ lệch phần trăm chỉ là 2,08%.

J.R. MacKay năm 2007 [3] ông đã thực hiện thực nghiệm của mình nhằm xác định
áp lực lớn nhất gây mất ổn định trên mẫu thử có kết cấu vỏ áp lực hình trụ tròn gia cường
nẹp chữ T cứng bên ngoài. Mẫu thực nghiệm (L300-No3) sử dụng vật liệu 6082-T6
aluminium, và có kích thước như sau :


Hình2.8: Kích thước chính của mẫu thực nghiệm [3].

13



Hình2.9: Mẫu L300-No3 có gắn các cảm biến đo biến dạng ngang và dọc trục [3].

Mẫu thực nghiệm đã được thử phá hủy dưới áp suất thủy tĩnh tại cơ sở thử nghiệm
áp lực cao tại DRDC Đại Tây Dương. Bể áp lực này có khả năng mô phỏng độ sâu lên tới
7 km bên dưới bề mặt nước. Một bể áp lực có một buồng thử nghiệm sâu khoảng 2,5 m
và có đường kính 1m , được thể hiện trong hình 2.10. Các buồng thử tạo áp lực bởi lực
nén khí nén vào buồng chứa đầy nước bị bịt kín. Áp suất thủy tĩnh trong bể được đo bằng
đầu dò áp lực đặt trên nắp thùng.
14


Hình 2.10: Bể thử áp lực phá hủy[3].

Áp lực phá hủy của mẫu L300-No3 sau khi thử phá hủy là 6.77 MPa, chiều dày vỏ
lúc này là 1,870 mm.

Hình2.11: Mẫu L300-No3 sau khi thử áp lực phá hủy[3].

Carl T.F.Ross, Chris Bull & Andrew PF.Little năm 2010 [6] đã đưa ra nghiên cứu
của mình nhằm kiểm nghiệm kết quả tính toán độ bền tới hạn ở kết cấu vỏ chịu áp lực
hình trụ tròn có nẹp vòng gia cường cứng theo phương pháp tính toán hữu hạn sử dụng
phần mềm Ansys với thực nghiệm. Mẫu thực nghiệm sử dụng vật liệu Aluminium Alloy .
15



Hình2.12: Kích thước của mẫu thực nghiệm (Model 1,2,3) [6].


Bảng 2.5: Thông số kích thước của Model 1,2 và 3 [6].



Hình2.13: Két thử áp lực mẫu và các thiết bị khác [6].
16



Hình2.14: Model 1,2 và 3 bị phá hủy sau khi thí nghiệm [6].

Mẫu
thử
Kết quả
tính toán
theo Von
mises
(bar)
Kết quả

tính toán

trên
Ansys
(bar)
Kết quả
thực
nghiệm
(bar)
Sai lệch
(%) của
Ansys
với thực
nghiệm
Sai lệch
(%) của
Von mises
với thực
nghiệm
1 25 26.5 23.1 14,7% 8,22%
2 30.6 26.2 24.1 8,7% 26,97%
3 48.9 27.5 27.7 0,7% 76,5%

Bảng 2.6: Áp lực gây mất ổn định trên thực nghiệm và trên Ansys, Von mises [6].

Heung-Youl Kim
․
Yong-Ku Shin
․
Soo-Young Kim

․
Seung-Chul Shin
․
Bo-Young
Chung,Jung-Hwa Jo
․
Hyun-Soo Kim năm 2012 [8] sử dụng phần mềm Inventor để xây
dựng mô hình sau đó phân tích trên Ansys để xác định áp lực phá hủy vỏ áp lực, kết quả
sẽ được so sánh với công thức tính toán.
17


Hình 2.15: Mặt cắt dọc tàu phân tích [8].


Hình 2.16: Vỏ áp lực tàu ngầm phân tích[8]


Các điều kiện phân tích:
Mục Nội Dung
Xây dựng mô hình 3D Autodesk Inventor
Công cụ phân tích Ansys Workbench
Vật liệu
Tên vật liệu Thép HY100
Giới hạn chảy 689MPa
Mô đun đàn hồi 205GPa
Hệ số Poisson 0.3
Áp lực thiết kế 4.8MPa

Bảng 2.7: Điều kiện phân tích

18


Hình 2.17: Mất ổn định chung [8].

S Stanley I. Wong dưới sự hướng dẫn của J.R. MacKay năm 2012 [11] cũng xây dựng
và phân tích mô hình bằng phương pháp FEA (phân tích phần tử hữu hạn) với kích
thước giống với mẫu thực nghiệm của MacKay. Sau đó so sánh với kết quả thực nghiệm
của Mackay.

Hình 2.18: Kích thước mẫu phân tích [11].

Hình 2.19: Mẫu thữ nghiệm của MacKay [11].
19


Quá trình phân tích xác định áp lực phá hủy được áp dụng khi mô hình đàn hồi
tuyến tính và khi mô hình mất đàn hồi phi thuyến tính. Vật liệu được áp dụng là
Alumium 6082- T6. Phân tích độ bền của kết cấu vỏ áp lực này trên phần mềm Abaqus
sau đó so sánh kết quả theo thực nghiệm của MacKay và các công thức tính toán. Điều
kiện biên áp dụng trong mô hình tương đương với điều kiện biên đưa ra trong thực
nghiêm của MacKay (Hình 2.20).

Hình 2.20: Thiết bị thử nghiệm áp lực với biến đổi lực dọc trục [10].

Thí nghiệm được thực hiện bởi Mackay và cộng sự đã được tiến hành trong buồng
nước áp lực. Phương pháp này sử dụng cảm biến đặt bên trong buồng tại các khoảng
bằng nhau dọc theo chu vi của mẫu thử, ngoài ra với 1 thước đo khác được đặt ở vị trí

gần đáy của mẫu vật để đo sự biến dạng theo chiều dọc trục.
Mẫu vật sẽ được cố định đầu vào phía trên cùng của bể áp lực như hình 2.20 và đầu
còn lại chỉ di chuyển dọc trục . Sau đó dùng 1 máy bơm thủy lực gây áp lực và lực dọc
từ từ vào thùng. Sau mỗi lần tăng biến dạng được ghi lại. Quá trình này được tiếp tục cho
đến khi mẫu vật bị biến dạng và phá hủy thông qua sự mất ổn định chung.